Динамические процессы в ЖРД, страница 2

И. Кулагину и В. А. Махину,докт. техн. наук И. И. Иванову, проф. Л. С. Душкину, кандидатамтехн. наук Б. Ф. Гликману, В. Д. Курпатенкову, В. В. Пилипенко,Д. А. Шушко и В. Д. Харькову, инженерам А. Г. Григорьеву,Б. Е. Мошкину и В. А. Задонцеву за внимательный просмотр отдельных разделов книги и ценные советы.Все замечания по книге автор просит направлять по адресу:Москва, И-51, Петровка, 24, издательство «Машиностроение».УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯх; L; I; d; R; г — линейный размер; длина; диаметр; радиус;F\ S—площадь; поверхность;V — объем;М; т; Y — масса;G — временной (секундный) расход массы;t — текущее время;1 — время запаздывания сгорания;Е — в р е м я пребывания газов в камере;W; и; С — скорость газа, жидкого топлива;Я —сила; тяга;р; Д/7 — давление; гидравлические потери;бг! 6ж—-плотность газа, жидкости;К.—соотношение компонентов топлива;Т — температура;6— количество движения.Основные индексыб — бак, в баке;w — массовые силы;J-—внешние силы;к — камера сгорания;н — насос; наружное;1 — окислитель;2 — горючее;i — порядковый номер уравнения;k-—порядковый номер параметра;О — начальное значение;и — истекшее количество; истечение;ж — жидкое;г •— газообразное;п — порох; твердое топливо;а—на срезе сопла;кап — капля.В книге использована Международная система единиц СИ.Глава IДИНАМИКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ§ 1.

ДИНАМИКА ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВЕсли выбросить из рассмотрения факторы второстепенного порядка, то можно считать, что внутрикамерные процессы зарождаются в момент выхода компонентов топлива из форсунок.Для камеры характерны: выход на марш (установившийся режим),работа на марше, переходные процессы на маршевом режиме и выключение двигателя.В течение всего периода работы двигателя внутрикамерныепроцессы в определенной степени обусловлены действием массовых сил, непрерывным изменением параметров. Если придерживаться хронологического порядка, то рассмотрение динамическихпроцессов следовало бы начать с периода выхода на режим.

Однако более однотипно динамические процессы протекают на марше,поэтому применительно именно'к этим условиям удобно начинатьих изучение [3, 21].1. Марш (установившийся режим)Двигатель вышел на марш. С энергетической точки зрениямарш является главным режимом. Здесь двигатель работает наиболее долго. Предельное время работы зависит от ряда факторов,в том числе от величины удельной тяги. Чем выше удельная тяга,тем дольше может работать двигатель.Если ориентироваться на средние, неизменяющиеся во времени,значения параметров для каждой точки объема камеры, то динамика процессов проявится в том, что скорости движения жидкихи газовых масс будут изменяться главным образом по длине камеры сгорания и сопла; на каждую элементарную частицу газаили жидкого горящего топлива, заключенного в камере, действуетсила, возникающая, в основном, в результате расширения продуктовсгорания.

Вследствие наличия волновых процессов параметры каждой точки объема камеры непрерывно изменяются, наблюдаютсянизкочастотные и высокочастотные колебания. При заметном снижении давления обнаруживается порог низкочастотной устойчи-вости — резкое, почти скачкообразное возрастание амплитудыколебаний давления в камере.

Изучение маршевого режима усложняется тем, что частота и амплитуда колебаний претерпевают непрерывные изменения в соответствии со сложными, еще мало изученными законами колебательных процессов.Таким образом, в условиях марша динамические процессы приводят к изменению параметров как по координатам камеры, таки во времени. Следовательно, для изучения динамических процессов даже в условиях «установившегося» режима необходимо привлечь систему дифференциальных уравнений в частных производных. Процессы, протекающие на марше, характеризуются относительно небольшими изменениями параметров.

При этом можноприменять уравнения в малых отклонениях, некоторые дифференциальные уравнения подвергать линеаризации. Это позволилоизучить процессы, протекающие в условиях марша, несколько подробнее, чем процессы переходных режимов.2. Выход на маршИзменение параметров при выходе на марш будет носить болеесложный характер, чем при работе двигателя на марше. При выходе на марш среднее давление в камере меняется от некоторогонебольшого давления перед пуском до расчетного или номинального. Процесс выхода на марш усложняется тем, что он обычноорганизуется ступенчатым: за время выхода выполняется несколько команд.При выходе на марш наблюдаются значительные ускорениядвижения компонентов топлива и продуктов сгорания.

Наиболееактивно эти процессы протекают в начальный период, с моментапоступления топлива в камеру до воспламенения, во время воспламенения и развития горения, примерно до набора камерой 40-^70%давления. После этого давление в камере возрастает несколькомедленнее. Иногда в этой области наблюдается скачкообразное изменение давления. Далее будут показаны причины, по которым здесь оказываются возможными временные снижения давления.Изменение давления в камере происходит вследствие воздействия геометрических факторов, наличия волновых процессов, изменения режима подачи компонентов топлива в камеру (здесь следует учитывать изменение общей массы топлива, изменение соотношения междукомпонентами и производнойсоотношенияпо времени), количества топлива, находящегося в камере в жидкомвиде.Большое значение в организации процессов при выходе на маршимеет чувствительность периода запаздывания к давлению и скорость изменения соотношения компонентов [25, 28].

Высокие значения производной периода запаздывания по давлению в камереприводят к двукратному изменению знака производной давления10по времени при выходе на режим, что может способствовать возникновению детонационных явлений.При увеличении скорости изменения соотношения между компонентами ускоряется процесс горения топлива, что способствуетвозникновению маловероятностных детонационных явлений илисвоеобразных высокочастотных [25] колебаний.3. Переходные процессы на маршеСредние значения параметров камеры сгорания на марше не постоянны.

Они изменяются вследствие изменения тяги двигателяс высотой, интенсивности действия внешних сил, в результатеизменения режима работы отдельных агрегатов двигателя, изменения физико-химических свойств компонентов топлива, команд, поступающих от систем регулирования [30].Изменение параметров при наличии переходных процессовна марше протекает или медленно, или, если быстро, то на относительно небольшую величину. Это позволяет при изучении переходных процессов так же, как при изучении маршевых процессов,использовать уравнения в малых отклонениях.4.

Выключение двигателяПосле закрытия главных топливных клапанов подача компонентов топлива в камеру значительно сокращается. В камеру входят небольшие порции • топлива вследствие перемещения рабочих органов клапанов, деформациигидравлических трактов•и других факторов. При оценке условий подачи последних порций топлива в камеру важно учитывать действие массовых сил.В результате резкого уменьшения давления количество жидкоготоплива, находящегося в камере, быстро уменьшается и осуществляется подпитка камеры продуктами сгорания.

Это явление объясняется влиянием давления на величину периода запаздываниясгорания топлива. За время протекания описанного процесса частонаблюдаются изменения термодинамических параметров как в результате изменения давления, так и вследствие изменения соотношения между компонентами топлива.После почти полного снижения давления в камере часто наблюдается новое, относительно небольшое, увеличение давления в камере, длящееся десятые доли секунды, а порой и несколько секунд[3, 21]. Указанное явление объясняется поступлением в камерусгорания паров компонентов из тракта охлаждения камеры.Период выключения с учетом времени догорания топлива называют периодом последействия.

Он характеризуется не ' толькосредней величиной импульса давления, но и его разбросом.И5. Работа двигателя после выключенияЕсли предусмотрен повторный запуск или использование двигателя в качестве тормозного, то после его выключения производятсяоперации кратковременной консервации и затем — подготовкадвигателя к новой, повторной работе.

За это время нормализуютдавление в аккумуляторах, перемещают жидкости в емкостях, подготавливают элементы автоматики к выполнению новых команд.6. Внешняя характеристика динамических процессовО характере внутрикамерных процессов судят по их внешнимпроявлениям. Основным источником информации является осциллограмма, на которой отражено изменение во времени многихпараметров, в том числе тяги, расходов компонентов топлива, давления в центральной части камеры. Осциллограмму или группуосциллограмм, их комплект, где записан характер изменения основных параметров в течение всего периода работы камеры сгорания,можно назвать внешней характеристикой камеры. На фиг.

1 показана одна из осциллограмм, полученная при испытании опытногоучебного образца ЖРД. Для получения достаточно верного представления о работе камеры запись параметров должна производиться с использованием современной малоинерционной аппаратуры высокой разрешающей способности.При рассмотрении осциллограмм в первую очередь обращаетна себя внимание наличие трех периодов работы двигателя, о которых шла речь выше: выхода на марш, марша и выключения. Часто, вместо термина «марш» употребляется термин «установившийсярежим», однако этот термин, предполагающий осреднение текущихзначений параметров, является условным. В действительностина осциллограммах обнаруживаются разнообразные измененияих мгновенных значений.

Они имеют место и при выходе на марш,и во время длительной непрерывной работы двигателя, и при выключении.Характер изменения параметров во времени, в частности, давления в камере, исключительно сложен. Рассмотрим для примеранесколько осциллограмм. На фиг. 1 представлена запись изменениядавления в некоторой точке камеры и давления перед форсунками,полученная при испытании двигателя на стенде. Еще до воспламенения топлива (левее линии /—/) было зафиксировано временноеповышение давления перед форсунками окислителя, обусловленное движением жидкости по гидравлическим трактам.Перед выходом на марш заметно скачкообразное повышениедавления перед форсунками окислителя. После этого наблюдаютсянекоторое уменьшение давления в камере и высокоамплитудные,постепенно затухающие колебания давления перед форсунками горючего.